Rheological Properties of Metal Alloys in the Semi-Solid State

Abstract

This paper reviews the information published and constructs rheological equations for semisolid metals. For materials having a volume fraction solid (Φ) less than about 0.6, the solid-liquid suspension can be described by the model first proposed by Bingham. The fluid has a finite yield stress, which, in semisolid Al-Si alloys, may be represented by the equation

τ = 9615 · Φ³/Φ_m−Φ

where τ₀ is in Pascals, and Φ_m is the maximum packing fraction of spherical solid grains and is numerically equal to 0.6. The yield stress accounts for more than 90% of the total shear stress in most semi-solid metals. The Bingham viscosity makes a minor contribution at normal strain rates. At solid fractions greater than about 0.6 the grains form a coherent skeleton or network. A theoretical approach first applied to porous powdered metals is used to describe the deformation of these materials. The deformation is defined by a reduced flow stress, σ = τ_mushy/τ _solid, at the temperature under consideration. For conditions under which the compressibility of the material is not a concern, the approximation

σ≍Φ^7.5

may be used without serious error. Exact equations are given in the body of the paper. Approximations are also given for wall slip effects during mold filling. Copyright © 1996 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd.

Résumé

Cet article revoit l'information publiée et construit des équations rhéologiques pour des métaux semi-solides. Pour les matériaux ayant une fraction du volume solide (Φ) de moins qu'environ 0.6, la suspension solide-liquide peut être décrite par le modèle proposé premièrement par Bingham. Le fluide a une limite de contrainte finie. La limite de contrainte des alliages semi-solides d'Al-Si peut être représentée par l'équation:

τ = 9615 · Φ³/Φ_m−Φ

où τ₀ est en Pascals et Φ_m est la fraction maximum de compactage des grains solides sphériques, numériquement égale à 0.6. La limite de contrainte rend compte de plus de 90% de la contrainte tangentielle totale chez la plupart des métaux semi-solides. La viscosité de Bingham contribue de façon mineure à des taux normaux de déformation. Pour des fractions solides de plus qu'environ 0.6, les grains forment un squelette ou réseau cohérent. Une approche théorique appliquée premièrement aux métaux pulvérisés poreux est utilisée pour décrire la déformation de ces matériaux. La déformation est définie par un écoulement de contrainte réduit, σ = τ_pâteux/τ_solide, à la température considérée. Pour les conditions où la compressibilité du matériel n'est pas importante, l'approximation

σ≍Φ^7.5

peut être utilisée sans erreur sérieuse. Des équations exactes sont données dans cet article. Des approximations sont aussi données pour les effets de glissement des parois lors du remplissage de moule.